引氣劑對混凝土抗凍性和抗?jié)B性影響研究

肖 陽,張守杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引氣劑對混凝土抗凍性和抗?jié)B性影響研究

肖 陽1,張守杰2

(1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

本文通過混凝土吸水率、表面氣體滲透系數、氯離子電通量及快速凍融循環(huán)試驗,研究了引氣劑對混凝土的抗?jié)B及抗凍性能的影響，并從混凝土的孔結構及界面過渡區(qū)進行了微觀機理分析。結果表明：隨著引氣劑摻量的增加，混凝土的抗壓強度略有下降，混凝土的最終吸水率和氯離子電通量有減小的趨勢，引氣混凝土抗凍等級均達到了DF300。引氣劑可以細化混凝土的孔結構，降低氣泡間距系數，有利于改善混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。關鍵詞：混凝土；滲透性；抗凍性；引氣劑；孔結構

引氣劑是寒冷地區(qū)混凝土工程中常用的外加劑之一。它實際上是一種表面活性劑，活性劑分子一端為親水基，另一端為疏水基[1],可以在混凝土中引入許多微小且分布均勻的氣泡，進而改善混凝土的和易性及耐久性能[2-3]?；炷羶炔繗饪捉Y構與宏觀性能及耐久性能是密切相關的，吳中偉、布特、Jawed和近藤連一等學者根據氣孔孔隙大小及影響，對混凝土孔結構進行了分級[4-6]，他們一致認為孔徑在10～100 nm之間的孔隙對混凝土的耐久性能有利。混凝土中孔隙越多，其抗壓強度會降低，并受其孔隙的尺寸及分布影響很大[7]，有研究表明相同水膠比條件下，硬化混凝土中含氣量每增加 1%，抗壓強度降低3%～5%[8-9]。Narayanan Neithalath等人認為混凝土的孔隙分布對其滲透性和抗凍性也有著較大的影響，隨著孔的直徑和孔隙率的增大，混凝土的抗?jié)B及抗凍性能均會變差[10]，H.S.Wong等人發(fā)現(xiàn)引氣增大了氣體對混凝土滲透的傾向，但與混凝土內部濕度關系很大[11]。周世華等人指出當混凝土中總含氣量不超過6%時，引氣不但不會對混凝土的使用性能造成影響，反而會增強混凝土的韌性[12]。Kejin Wang等人經過研究得到合理引氣可以明顯改善混凝土的抗水及離子滲透性能[13]。

為了進一步明晰引氣劑的作用，本文主要采用了混凝土吸水率的測定、電通量法、表面氣體滲透儀分別對混凝土的抗水、氯離子及氣體滲透能力進行研究，綜合表征引氣劑對混凝土抗?jié)B性能的影響，同時采用了氣泡間距系數及最可幾孔徑概念對混凝土的孔結構進行了分析，旨在從宏觀和微觀兩個角度上解析引氣劑對混凝土的抗?jié)B及抗凍性能的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥為天鵝牌P·O 42.5的水泥。粉煤灰為哈爾濱市興熱粉煤灰開發(fā)有限公司粉煤灰制品分公司生產的I級粉煤灰，其活性指數為80.7%。細集料采用細度模數為2.42的II區(qū)中砂，粗集料采用5～10 mm、10～25 mm混合比例為4∶6的二級配碎石。萘系高效減水劑摻量范圍為1.0%。引氣劑為黑龍江省水利科學研究院研制的SB-G混凝土引氣劑。水為哈爾濱市飲用自來水。

1.2 試驗方法

混凝土吸水率、表面氣體滲透系數及氯離子電通量用來表征混凝土的抗?jié)B性能?；炷廖实臏y定方法：將混凝土在干燥箱中烘干至恒重，記下其初始質量，而后放入水中，每隔一段時間稱量一次質量直至其質量不再變化。表面氣體滲透系數是采用Torrent Permeability Tester進行測定的。采用快速凍融試驗方法和氯離子電通量試驗方法來評價混凝土的抗凍性能和抗?jié)B性。采用NELD-BS610硬化混凝土氣泡間距系數分析儀對混凝土內部的氣泡間距系數進行測試分析。用AUTOPOREIV9500全自動壓汞儀分析混凝土的孔結構。采用Quanta 200F場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡對混凝土的界面過渡區(qū)進行觀測分析。

1.3 試驗配合比

本次試驗研究了3種不同含氣量的混凝土的抗凍性及抗?jié)B性，混凝土配合比及相關性能如表1所示。

表1 混凝土配合比及其新拌性能

2 試驗結果與討論

2.1 混凝土的抗凍性能

圖1 混凝土的抗壓強度與引氣劑摻量的關系

由圖2、圖3可知，在經歷凍融循環(huán)次數相同的情況下，含氣量大的混凝土的質量損失率相對較小，其相對動彈性模量相對較大。當凍融循環(huán)次數達到300次時，含氣量為4.0%的混凝土的質量損失僅為1.41%，其相對動彈性模量仍可達79.97%，其抗凍等級超過了DF300，而未引氣混凝土的質量損失已經超過了5%，其抗凍等級僅為DF275?？梢娺m當摻用引氣劑能提高混凝土的抗凍性能。

圖2 混凝土的質量損失與凍融次數的關系

圖3 混凝土的相對動彈性模量與凍融次數的關系

2.2 混凝土的抗?jié)B性能

由圖4可知，隨著含氣量增加，混凝土的最終吸水率有減小的趨勢。Y0、Y1、Y1.5的最終吸水率分別為3.30%、3.25%、3.15%；由圖5可知，混凝土的6 h電通量與含氣量呈反比關系，這與黃維蓉等人的研究結論“當混凝土的含氣量<5%時，含氣量越大，其電通量越小”相一致[14]，沒有引氣的混凝土的電通量為1679.44 C，而含氣量為4%混凝土的電通量為1492.90 C。由此可見，引氣劑的加入可以改善混凝土抗水、氯離子的滲透性能。

圖4 混凝土的吸水率隨時間變化關系

圖5 混凝土的電通量與引氣劑摻量的關系

混凝土經歷的凍融循環(huán)次數越多，其內部損傷累積也越大，所以其表面滲透深度也越大。如圖6所示，凍融循環(huán)次數相同時，含氣量越大的混凝土的表面氣體滲透深度也越??；當凍融循環(huán)200次時，Y0、Y1、Y1.5的表面氣體滲透深度分別為31.8 mm、22.1 mm、20.0 mm。從圖7中可以看出，當混凝土未經過凍融循環(huán)時，Y0、Y1、Y1.5的表面氣體滲透系數十分接近，這表明引氣劑對未凍混凝土的表面抗氣體滲透能力改善不大，但隨著凍融循環(huán)次數的增加，引氣劑的作用效果逐漸明顯。從圖8可以看出，經過200次凍融循環(huán)后，引氣劑摻量為1.5的混凝土的界面及漿體中的裂縫明顯比未摻引氣劑的少，其界面及漿體仍較連續(xù)，而未摻引氣劑的界面中已經出現(xiàn)了較大的連通裂縫，所以其表面氣體滲透深度較大。

圖6 表面氣體滲透深度與引氣劑摻量的關系

圖7 表面氣體滲透系數與引氣劑摻量的關系

圖8 200次凍融循環(huán)后混凝土的形貌

圖9 氣泡間距系數與引氣劑摻量的關系

綜合上述結果分析來看，含氣量有利于改善混凝土的抗?jié)B性能，這與其孔結構及孔徑分布密切相關。

2.3 混凝土孔結構分析

混凝土的宏觀性能變化與其孔結構存在著密切的聯(lián)系，從圖9中可以看出，引氣劑摻量越多的混凝土的氣泡間距系數越小，這是因為引氣劑在混凝土中引入許多微小且可以分布均勻的氣泡，改變了混凝土內部的孔隙結構。Y0、Y1、Y1.5的氣泡間距系數分別為395 μm、276 μm、130 μm，結合2.1及2.2中的結果可知，Y1、Y1.5均展現(xiàn)出了良好的抗凍性能，這與黃士元等人的研究結論“抗凍性能良好的混凝土的平均氣泡間距系數應<250 μm”[15]吻合。

隨著混凝土所受壓力的增大，汞可進入混凝土中更小的孔隙。從圖10中可以明顯看出，引氣劑摻量越大的混凝土的累積進汞量越大；未退汞量是指退汞曲線與縱軸交點處的累積進汞量值，從退汞曲線中可以看出，Y0、Y1、Y1.5的未退汞量分別為0.042 mL/g、0.045 mL/g、0.052 mL/g，這表明引氣劑摻量越大的混凝土的“墨水瓶”孔隙含量越多。

圖10 混凝土累積進汞量與壓力的關系

從圖11中可以看出，引氣混凝土中孔徑<1000 nm的孔隙明顯比未引氣的多，孔徑<100 nm時尤為明顯。圖12為混凝土的孔徑分布微分曲線，其峰值處對應的孔徑為最可幾孔徑，即出現(xiàn)幾率最大的孔徑，從圖中可以看出，Y0、Y1、Y1.5的最可幾孔徑分別為33.63 nm、31.87 nm、26.47 nm，隨著引氣劑摻量的增加，最可幾孔徑有減小的趨勢。

圖11 孔徑分布積分曲線

圖12 孔徑分布微分曲線

因此，引氣劑的加入使混凝土中最可幾孔徑減小，細化了混凝土的孔結構。氣泡間距系數降低有利于緩解凍脹壓力和水遷移產生的滲透壓力，從而改善了混凝土的抗?jié)B及抗凍性能。

3 結 論

(1)當含氣量由1.6%增至4.0%，未凍混凝土的抗壓強度降低了12.62%，200次凍融循環(huán)后，含氣量為4.0%的混凝土的抗壓強度仍可達48.02 MPa，引氣混凝土的抗凍等級可達到DF300。

(2)混凝土未經過凍融時，其表面氣體滲透系數受引氣劑的影響不大，凍融循環(huán)200次后，引氣劑摻量大的混凝土的表面氣體滲透系數明顯較?。浑S著引氣劑摻量的增加，未凍混凝土的氯離子電通量及吸水率逐漸降低，引氣劑提高了混凝土的抗?jié)B性能；

(3)引氣劑的加入減小了最可幾孔徑，使混凝土的孔結構細化，氣泡間距系數降低，進而提高了混凝土的抗?jié)B及抗凍性能。

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Research on the effects of air-entraining agent on the permeability and frost resistance of concrete

XIAO Yang,ZHANG Shoujie

(1.SchoolofCivilEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.HeilongjiangHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China)

t：This paper investigates the influence of air-entraining agent on the impermeability and frost resistance of concrete through the water absorption of concrete,surface gas permeability coefficient,chloride ion electric flux and fast freeze-thaw cycling test,and the pore structure and interfacial transition zone of concrete are also analyzed.The results show that the compressive strength of concrete shows a trend of decline with the increase of air-entraining agent’s dosage.With the increase of air content,the final water absorption rate and chloride ion electric flux of concrete have a tendency to decrease and air-entraining concrete achieves the antifreeze level of DF300.Air-entraining agent can refine the pore structure of concrete,decrease the spacing factor of concrete which is conducive to improve the frost resistance and impermeability of concrete.

concrete; permeability; frost resistance; air entrainment agent; pore structure

肖 陽(1990-),男，碩士，主要從事混凝土耐久性方面的研究。E-mail:xiaoyang_hit@126.com

TU528.042.4

A

2096-0506(2015)01-0038-05